Известно, что обработка низкотемпературной плазмой (НТП) может использоваться в совершенно различных областях – это и биомедицина, и пищевая промышленность, и обработка высокочувствительных к температурам материалов [1-3]. Одно из молодых направлений – применение НТП для обработки семян сельскохозяйственных культур на предпосевной стадии. Нетермическая плазма оказывает положительное влияние не только на прорастание, всхожесть и урожайность семян [4-10], но и способствует повышению устойчивости сельскохозяйственных культур к грибковым и бактериальным заболеваниям [11, 12].

В качестве источника НТП использовался апокампический разряд. Ранее в наших работах было выявлено, что продукты распада плазмы, генерируемой апокампом, оказывают инактивирующее действие на штаммы таких бактерий, как Staphylococcus aureus (209P) и Escherichia coli (501) [13, 14].

Цель настоящего исследования заключалась в определении фунгицидной активности продуктов распада плазмы импульсно-периодического разряда. Эффективность действия оценивали по степени инактивации плесневых грибов, контаминирующих семена растений.

В настоящей работе в качестве объектов исследования использовали семена зерновых культур: яровая пшеница (сорт «Иргина») и смесь сортов ржи. Материал предоставлен Томским сельскохозяйственным институтом (филиал Новосибирского государственного аграрного университета).

Экспериментальная установка для обработки семян показана на рис. 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема установки: 1 – генератор высоковольтных импульсов; 2 – емкостная развязка; 3 – регулятор частоты; 4 – чашка Петри; 5 – диэлектрическая прокладка; 6 и 7 – электроды; 8 – канал импульсно-периодического разряда 9 – плазменная струя; 10 – стеклянная камера

Стеклянная камера 10 устанавливалась на экспериментальный блок. Объем камеры составлял V = 9 л.

Разряд зажигался при подаче на электроды 6 и 7 импульсного напряжения с генератора высоковольтных импульсов 1. В межэлектродном промежутке (d = 9 мм) после включения зажигается коронный разряд, который далее переходит в форму канала с ответвлением в форме плазменной струи 9 (т.н. апокамп [15]) на месте изгиба канала разряда. Форма разряда регулировалась с помощью регулятора частоты 3. Разряд осуществляли в воздухе при нормальных условиях. Параметры установки сведены в таблицу 1.

Электроды 6 и 7 изготовлены из нержавеющей стали и расположены в одной плоскости под углом α = 135°. Электрод 7 имел емкостную связь 2 с заземлением через конденсатор С = 10 пФ. Он был необходим для поддержания высокого напряжения на межэлектродном промежутке. Рассеиваемая разрядом мощность составляла в условиях опытов ~ 5 Вт.

Чашки Петри с семенами пшеницы и ржи 4 устанавливались в стеклянной камере на диэлектрической прокладке 5. Время плазменной обработки варьировалось 1 < t₁ < 3 мин. Время пассивной обработки, т.е. время нахождения в камере при выключении установки, при наличии продуктов распада плазмы t₂ = 1 мин.

Рисунок 2. Фото разряда в камере

Таблица 1 – Параметры установки

Для объяснения результатов эксперимента необходимо понять, какие продукты распада плазмы образуются в камере. Для этого были использованы методы абсорбционной спектроскопии:

В ходе экспериментов чувствовался кислый запах, а в камере 10 наблюдалось образование газа коричневого цвета. Были проведены измерения спектра поглощения полученного газа (как результата плазмохимических и фотохимических реакций в разрядной зоне). Для этого была собрана установка, показанная на рис. 3.

Газовая кювета имела П-образную форму и состояла из трех цилиндров (А, В, С). Колба выполнена из пластика. К цилиндру А прикреплен кварцевый конус, собирающий продукты распада плазмы в цилиндр B и далее перемещались в часть C с помощью мембранного насоса. В межэлектродном промежутке (d = 14 мм) зажигали разряд с апокампом.

Рисунок 3. Установка по оптическому измерению продуктов распада плазмы: 1 – источник излучения; 2 – спектрофотометр; 3 – газовая кювета; 4 – прокачка газа; 5 – межэлектродный промежуток, размещенный осесимметрично в воронке

Спектр поглощения газа I(l) получали, используя спектрофотометр 2 (спектрофотометр StellarNet EPP2000-C25 на основе многоканальной п.з.с.-линейки ‒ рабочий диапазон 200¸850 нм) и опорный источник излучения 1 (SL5 UV-VIS на основе дейтериевой и накальной ламп). Полученные спектры поглощения показаны на рис. 4. Эти спектры соответствуют спектрам поглощения газов NO₂ и N₂O₄ [16]. По [17] известно, что

NO₂ – коричневый, чрезвычайно ядовитый и вызывающий коррозию газ. Газообразный NO₂ при 100°С и 760 мм рт. ст. содержит 90 % NO₂ и 10 % N₂O₄. Таким образом можно было ожидать, что использованный нами источник плазмы будет осуществлять функцию травления микроорганизмов и грибов на поверхности семян.

Для исследования были взяты 50 семян каждой из культур для обработки и 50 контрольных семян. В таблице 2 представлены результаты по колониям грибов, обработанных продуктами плазмы и контрольных образцов семян на 7 сутки после получения микробных смывов.

Для определения фунгицидной активности продуктов распада плазмы импульсно-периодического разряда каждую культуру подвергали обработке в экспериментальной установке. Для этого в стерильные чашки Петри раскладывали по 50 семян и помещали в стеклянную камеру. В качестве контроля использовали интактные семена каждой из культур. Контаминацию семян плесневыми грибами оценивали в опытной и контрольной группах следующим образом. Образцы массой 1 гр вносили в стерильные пробирки и заливали 10 мл стерильного физиологического раствора и готовили ряд последовательных 10-кратных разведений. Из каждого разведения на две чашки Петри со средой Сабуро вносили по 0,5 мл и делали посев газоном. Чашки оставляли при комнатной температуре и через 4-5 дней учитывали рост грибов. Результаты представлены в таблице 2.

Рисунок 4. Спектр поглощения продуктов распада плазмы: 1 – t₁ = 1 мин.; 2 – t₂ = 5 мин

Таблица 2 – Результаты посева грибов, КОЕ/г

Из табл. 2 видно, что продукты распада плазмы оказывают фунгицидное действие.

Таким образом, проведенные исследования выявили наличие фунгицидного эффекта продуктов распада плазмы импульсно-периодического разряда с апокампом по отношению к плесневым грибам, контаминирующим семена зерновых культур яровая пшеница (сорт «Иргина») и смесь сортов ржи. Планируется разработка методики и установки для массовой обработки зерновых культур, в т.ч. для повышения устойчивости культур к грибковым и бактериальным заболеваниям.

Работа выполнена в рамках государственного задания Института сильноточной электроники СО РАН по теме №13.1.3, а также внутреннего гранта института, а также при частичной поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 14-29-00052). Авторы благодарят Д.С. Печеницина за отладку плазменной установки.

1. Корнев И. И. Низкотемпературные методы стерилизации в профилактике хирургической инфекции / И.И. Корнев, Г. А. Баранов, В. И. Ульянов // Хирургия. – 2011. – № 6. – С. 43-47.
2. 1st International Workshop on Plasma Agriculture, IWOPA – 1, May 15th–20th 2016, A. J. Drexel Plasma Institute in Camden, USA. [Электронный ресурс]. – URL: http://www.iwopa.org/program/IWOPA-1%20Abstracts.pdf. (дата обращения: 4.10.2016).
3. Исследование влияния неравновесной низкотемпературной плазмы на структуру дермы полуфабриката из шкур речных рыб: сазана и судака / И. Ш. Абдуллин [и др.]. // Вестник Казанского технологического университета. – 2014. – Т. 17. – № 1. – С. 75-77.
4. Исследование энергии прорастания и всхожести семян горчицы при сушке импульсным ИК-способом / H.A. Зуев [и др.] // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. – 2011. – № 2(47). – С. 7–10.
5. Fungicidal Effects of Plasma and Radio-wave Pre-treatments on Seeds of Grain Crops and Legumes / I. I. Filatova [et.al.] // Plasma for Bio-Decontamination, Medicine and Food Security, NATO Science for Peace and Security Series A: Chemistry and Biology. – 2012. – P. 469–480.
6. Influence of cold radiofrequency air and nitrogen plasmas treatment on wetting of polypropylene by the liquid epoxy resin / E. Bormashenko [et.al.] // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects – 2016. – No. 506 – P. 445-449.
7. Гордеев Ю.А. Биоактивация семян культурных растений ультрафиолетовыми и плазменными излучениями [текст] / Ю.А. Гордеев, Р.З. Юлдашев // Известия С.-Петербургского государственного аграрного университета (СПбГАУ). – С.-Петербург: 2011. – № 24. – С. 343–348.
8. Гордеев Ю. А. Методологические и агробиологические основы предпосевной биоактивации семян сельскохозяйственных культур потоком низкотемпературной плазмы :  автореф. дис. … д-ра биолог. наук / Ю. А. Гордеев. – Смоленск, 2012. – 46 с.
9. Influence of plasma treatment on wheat and oat germination and early growth. / Sera B. [et. al]. // IEEE Trans Plasma. – 2010. – No 38. – P. 2963–2968.
10. The effect of non-thermal plasma treatment on wheat germination and early growth / Dobrin D. [et. al]. // Innovative Food Science & Emerging Technologies. – 2015. – No. 29. – P. 255-260.
11. Effect of Seed Treatment by Cold Plasma on the Resistance of Tomato to Ralstonia solanacearum (Bacterial Wilt) / J. Jiang [et.al.] // PLOS ONE. – 2014. – Vol. 9, No. 5. – P. 1-6.
12. Reactive nitrogen species produced in water by non-equilibrium plasma increase plant growth rate and nutritional yield / D. P. Park [et.al.] // Current Applied Physics. – 2013. – № 13. – С. 19-29.
13. Источник планарной плазменной струи атмосферного давления / Жданова О.С., Кузнецов В.С., Панарин В.А., Скакун В.С., Соснин Э.А., Тарасенко В.Ф. // Прикладная физика. – 2016. – № 2. – С. 36-40.
14. Соснин Э.А., Скакун В.С., Панарин В.А., Тарасенко В.Ф., Жданова О.С., Гольцова П.А. Первый опыт применения апокампического разряда для инактивации микроорганизмов // Современные научные исследования и инновации. – 2016. – № 4 [Электронный ресурс]. – URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/04/67337 (дата обращения: 14.11.2016).
15. Источник плазменной струи атмосферного давления, формируемой в воздухе или азоте при возбуждении барьерным разрядом / Э.А. Соснин [и др.] // Журнал технической физики. – 2016. – Т. 86, вып. 5. – С. 151–154.
16. Hall Jr. T. C. Separation of the Absorption Spectra of NO₂ and N₂O₄ in Range of 2400-5000 A / T. C. Hall Jr., F. E. Blacet // The journal of Chemical Physics. – 1952. – No. 20. – P. 1745.
17. Руководство по неорганическому синтезу: в 6-ти томах. Т. 2 Пер с нем. / Под ред. Г. Брауэра. – М. : Мир, 1985. – 512 с.

Все статьи автора «Гольцова Полина Андреевна»